岩石岩爆倾向性表观特性与发生机制研究

摘要

我国西南地区水电开发、地下交通、深部资源开采等工程，均普遍涉及复杂环境下地下硐室岩爆的预测与控制问题，但目前国内外对于岩爆的预测尚缺乏系统的理论，对岩爆的机理也有待进一步探索，因此开展岩石岩爆倾向性的试验与理论研究，对于揭示岩爆的发生机制以及岩爆的预测，具有重要的理论与实际意义。本文以四种岩石为研究对象，运用MTS加载系统进行单轴压缩试验，同时采用声发射仪和高速摄影机对整个过程进行监控，分析各类岩石的矿岩成分和微观结构，归纳具有不同岩爆倾向性岩石的特征，建立表征岩石岩爆倾向性的串并联计算模型，探索岩爆倾向性的形成机理。同时采用岩石表面分形维数和声发射参数变化规律描述岩石受载过程表观特征，达到准确、客观评判岩石岩爆倾向性的目的。本文取得的研究成果如下：
　　(1)通过开展四种岩石单轴压缩试验过程中的声发射试验，在持续加载和加卸载两种条件下，岩爆倾向性最强的花岗岩声发射计数平均值、幅值和能量都是四种岩石中最大的；岩爆倾向性最小的大理岩在加载过程中声发射几乎很少，一般集中发生在峰后应力下降阶段，其声发射幅值和声发射能量在四种岩样中都是最小的。
　　(2)基于四种岩石的矿物成分及含量，开展了岩石岩爆倾向性的定量判别准则的研究。结果表明，岩石中含有坚硬、储能能力强的矿物时表现出强烈的岩爆倾向性。通过建立岩石加权莫氏硬度计算模型，计算了各类岩石的串联加权莫氏硬度和并联加权莫氏硬度，得出岩石的串联加权莫氏硬度大于6.0时表现出强烈的岩爆倾向性，小于4.0时为弱岩爆倾向性；并联加权莫氏硬度大于0.5时岩石岩爆倾向性较强，小于0.3时岩爆倾向性较弱。
　　(3)基于高速摄影和图像获取技术，开展了岩石在不同加载条件下表面分形维数的研究。研究表明，四种岩石在单轴压缩试验后的表面分形维数普遍大于其试验前的表面分形维数，岩爆倾向性越大，其表面分形维数在试验前后的变化差值越大，当分形维数变化差值超过0.03时，岩石表现出较强的岩爆倾向性。持续加载条件下不同岩石由于结构不同使得破坏的裂纹形态分布不同，岩爆倾向性大的岩石破坏结构更为复杂，分形维数更大，比较四种岩石的裂纹分形维得出当其值超过1.43时，岩石表现出较强的岩爆倾向性。
　　(4)开展了岩石岩爆倾向性声发射特征的研究，岩石在峰值强度或是破坏前其声发射计数关联维数都出现降维现象，四种岩石的降维幅度排序为：花岗岩＞矽卡岩＞角岩＞大理岩，岩石的降维幅度与岩爆倾向性大小之间存在正比关系。当声发射计数关联维数降维超过40％时，岩石表现出强烈的岩爆倾向性。岩石在破坏前出现 b值的减小。前期声发射 b值较为平稳，破坏前出现剧烈变化的岩石的岩爆倾向性较大。
　　上述研究对具有岩爆倾向性岩石的物元特征与其岩爆倾向性之间的关系进行了探讨，总结出具有岩爆倾向性岩石的一些特征，深化了对岩爆发生机理的理解，为岩爆的预测提供一些新的思路，对工程方面也具有一定的实际意义。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及方法

1.4 技术路线

第2章 岩石岩爆倾向性室内试验研究

2.1 试验设计

2.2 单轴压缩力学试验结果

2.3 单轴压缩声发射试验结果

2.4 本章小结

第3章 岩石岩爆倾向性微观机制研究

3.1 试验设计

3.2 岩石矿物组成与微观结构分析

3.3 岩石岩爆倾向性串并联预测模型

3.4 岩石岩爆倾向性微观机制分析

3.5 本章小结

第4章 岩石岩爆倾向性几何分形特征

4.1 岩石分形理论

4.2 岩石表面分形维数拍摄处理系统

4.3岩石表面分形维数提取算法

4.4岩爆倾向性岩石破坏后裂纹分形维数

4.5本章小结

第5章 岩石岩爆倾向性声发射特征研究

5.1岩石声发射关联维数计算原理

5.2 岩石岩爆倾向性声发射关联维数

5.3 岩石岩爆倾向性声发射b值

5.4 本章小结

第6章 结论

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

致谢

参考文献

博士期间发表的学术论文

博士期间发表的专利

博士期间参与的主要科研项目